JP2002367660A - Cell stack for redox flow cell - Google Patents
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- Y02E60/50—Fuel cells
Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、レドックスフロー
電池用のセルスタックに関するものである。特に、信頼
性が高く、簡易な構造のセルスタックに関するものであ
る。TECHNICAL FIELD The present invention relates to a cell stack for a redox flow battery. In particular, the present invention relates to a highly reliable and simple cell stack.
【０００２】[0002]
【従来の技術】図5は従来のレドックスフロー2次電池の
動作原理を示す説明図である。この電池は、イオンが通
過できる隔膜103で正極セル100Aと負極セル100Bとに分
離されたセル100を具える。正極セル100Aと負極セル100
Bの各々には正極電極104と負極電極105とを内蔵してい
る。正極セル100Aには、正極用電解液を供給及び排出す
る正極用タンク101が導管106、107を介して接続されて
いる。同様に負極セル100Bには、負極用電解液を供給及
び排出する負極用タンク102が導管109、110を介して接
続されている。各電解液は、バナジウムイオンなどの価
数が変化するイオンの水溶液を用い、ポンプ108、111で
循環させ、正極電極104及び負極電極105におけるイオン
の価数変化反応に伴って充放電を行う。2. Description of the Related Art FIG. 5 is an explanatory view showing the operation principle of a conventional redox flow secondary battery. This battery includes a cell 100 separated into a positive electrode cell 100A and a negative electrode cell 100B by a diaphragm 103 through which ions can pass. Positive cell 100A and negative cell 100
Each of B has a built-in positive electrode 104 and a negative electrode 105. A positive electrode tank 101 for supplying and discharging a positive electrode electrolyte is connected to the positive electrode cell 100A via conduits 106 and 107. Similarly, a negative electrode tank 102 for supplying and discharging a negative electrode electrolyte is connected to the negative electrode cell 100B via conduits 109 and 110. Each electrolytic solution uses an aqueous solution of ions whose valence changes, such as vanadium ions, is circulated by pumps 108 and 111, and is charged and discharged in accordance with a valence change reaction of ions at the positive electrode 104 and the negative electrode 105.
【０００３】図6は、上記の電池に用いるセルスタック
の概略構成図である。通常、上記の電池には、複数のセ
ルが積層されたセルスタック200と呼ばれる構成が利用
される。各セルは、隔膜103の両側にカーボンフェルト
製の正極電極104および負極電極105を具える。そして、
正極電極104と負極電極105の各々の外側には、セルフレ
ーム210が配置される。FIG. 6 is a schematic configuration diagram of a cell stack used for the above battery. Usually, a configuration called a cell stack 200 in which a plurality of cells are stacked is used for the battery. Each cell has a positive electrode 104 and a negative electrode 105 made of carbon felt on both sides of the diaphragm 103. And
A cell frame 210 is disposed outside each of the positive electrode 104 and the negative electrode 105.
【０００４】セルフレーム210は、プラスチック製のフ
レーム枠212と、その内側に固定されるプラスチックカ
ーボン製の双極板211とを具える。正極電極104および負
極電極105は双極板211に接着剤で固定されている。The cell frame 210 includes a plastic frame 212 and a plastic carbon bipolar plate 211 fixed inside the frame 212. The positive electrode 104 and the negative electrode 105 are fixed to the bipolar plate 211 with an adhesive.
【０００５】このようなセルフレーム210と電極104、10
5の積層体は、その両端部にエンドプレート201を配置
し、両エンドプレート201を棒状体202で貫通して、棒状
体202の端部にナット203をねじ込むことで締め付けてい
る。エンドプレート201には、矩形板201A上に格子枠201
Bを一体化して補強したものが用いられていた。[0005] Such a cell frame 210 and the electrodes 104, 10
In the laminated body of No. 5, end plates 201 are arranged at both ends thereof, and both end plates 201 are penetrated by rods 202, and nuts 203 are screwed into ends of the rods 202 to tighten them. The end plate 201 has a lattice frame 201 on a rectangular plate 201A.
What integrated and reinforced B was used.
【０００６】[0006]
【発明が解決しようとする課題】しかし、上述したよう
に、従来のセルスタック200では、双極板211に正極電極
104および負極電極105を接着しているため、この接着工
程が必要になり、組立工程が増えることになる。However, as described above, in the conventional cell stack 200, the positive electrode is attached to the bipolar plate 211.
Since the negative electrode 104 and the negative electrode 105 are bonded, this bonding step is required, and the number of assembling steps is increased.
【０００７】また、双極板211と電極104、105との接着
を接着剤で行っていると、接着剤が劣化して電極104、1
05が双極板211から剥がれることがある。その結果、電
池の内部抵抗が増加して、電池性能が低下すると言う問
題もある。If the bipolar plate 211 and the electrodes 104 and 105 are bonded with an adhesive, the adhesive deteriorates and the electrodes 104 and 1 are deteriorated.
05 may come off from the bipolar plate 211. As a result, there is a problem that the internal resistance of the battery increases and the battery performance decreases.
【０００８】従って、本発明の主目的は、双極板と電極
とを接着することなく長期的にわたって信頼性を高める
ことができるレドックスフロー電池用セルスタックを提
供することにある。Accordingly, a main object of the present invention is to provide a cell stack for a redox flow battery capable of improving reliability over a long period without bonding a bipolar plate and an electrode.
【０００９】[0009]
【課題を解決するための手段】本発明セルスタックは、
セルフレームと電極と隔膜とを積層したレドックスフロ
ー電池用セルスタックであって、前記セルフレームは、
フレーム枠と、フレーム枠と一体化される双極板とを具
え、前記電極は、双極板に接着されることなく締付力で
双極板に密接されていることを特徴とする。The cell stack of the present invention comprises:
A cell stack for a redox flow battery in which a cell frame, an electrode, and a diaphragm are stacked, wherein the cell frame includes:
It has a frame and a bipolar plate integrated with the frame, wherein the electrodes are closely adhered to the bipolar plate by a clamping force without being bonded to the bipolar plate.
【００１０】このように、締付力のみによりセルフレー
ムと電極との積層状態を保持することで、双極板と電極
との接着工程を省略し、組立工程数の減少を図ることが
できる。また、接着工程を省略したことで、接着剤の劣
化に伴う電池性能の低下と言う問題も解消できる。な
お、ここで言う電極は正極電極および負極電極のことで
ある。As described above, by maintaining the laminated state of the cell frame and the electrode only by the tightening force, the step of bonding the bipolar plate and the electrode can be omitted, and the number of assembly steps can be reduced. In addition, the omission of the bonding step can also solve the problem of a decrease in battery performance due to the deterioration of the adhesive. Note that the electrodes referred to here are a positive electrode and a negative electrode.
【００１１】締付力のみによりセルスタックを保持する
場合、セルスタックの構成部材には大きな締付力が加わ
ることになる。そこで、締付力のみでセルスタックを保
持する場合に好ましい構成を以下に説明する。When the cell stack is held only by the tightening force, a large tightening force is applied to the constituent members of the cell stack. Therefore, a preferred configuration when the cell stack is held only by the tightening force will be described below.
【００１２】電極をフレーム枠と双極板との段差に相
当する厚さに圧縮した場合、反発力を15kPa超150kPa未
満（0.153kgf/cm2超1.53kgf/cm2未満）とする。[0012] When compressed the electrode to a thickness corresponding to the step between the framework and the bipolar plate, the repulsive force of less than 15kPa ultra 150kPa and (0.153kgf / cm 2 ultra 1.53kgf / cm less than 2).
【００１３】締付力によりセルスタックを構成した場
合、電極はセルスタック中で圧縮された状態になる。そ
の際、電極の反発力を限定することで、電池として機能
をより効果的に発揮することができる。上記の下限値を
下回ると、電極と双極板との適切な接触抵抗を保持する
ことが難しく、上限値を超えると電極に浸透する電解液
の円滑な流れを阻害するおそれがあるからである。上記
の範囲において、より好ましくは、40kPa以上100kPa以
下(0.408kgf/cm2以上1.02kgf/cm2以下)である。When the cell stack is formed by the clamping force, the electrodes are compressed in the cell stack. At this time, the function as a battery can be more effectively exhibited by limiting the repulsive force of the electrode. If the value is below the above lower limit, it is difficult to maintain an appropriate contact resistance between the electrode and the bipolar plate, and if the value exceeds the upper limit, a smooth flow of the electrolyte permeating the electrode may be impaired. Within the above range, it is more preferably 40 kPa or more and 100 kPa or less (0.408 kgf / cm 2 or more and 1.02 kgf / cm 2 or less).
【００１４】電極の単位面積当たりの重量を100g/m2
以上1200g/m2未満とする。The weight per unit area of the electrode is 100 g / m 2.
Not less than 1200 g / m 2 .
【００１５】電極の単位面積あたりの重量は1200g/m2未
満であることが好ましい。特に好ましくは、100g/m2以
上1000g/m2以下である。この下限値を下回ると電極と双
極板との適切な接触抵抗を保持することが難しく、上限
値を上回ると反応面積が大きくなり、電極に浸透する電
解液の円滑な流れを阻害するおそれがあるためである。
上記の範囲において、より好ましくは、250g/m2以上800
g/m2以下である。The weight per unit area of the electrode is preferably less than 1200 g / m 2 . Particularly preferably, it is 100 g / m 2 or more and 1000 g / m 2 or less. If the value is below the lower limit, it is difficult to maintain an appropriate contact resistance between the electrode and the bipolar plate, and if the value exceeds the upper limit, the reaction area becomes large, and there is a possibility that the smooth flow of the electrolyte permeating the electrode may be hindered. That's why.
In the above range, more preferably, 250 g / m 2 or more 800
g / m 2 or less.
【００１６】セルスタックは、その両端部に配置され
るエンドプレートと、両エンドプレートの間でセルフレ
ームと電極を挟み付ける締付機構とを具え、このエンド
プレートは格子内が抜けた格子板とする。The cell stack includes end plates disposed at both ends thereof, and a tightening mechanism for sandwiching the cell frame and the electrode between the both end plates. I do.
【００１７】従来のエンドプレートは、矩形板に格子枠
を一体化して補強したものが用いられていたため、エン
ドプレートの重量が大きくなり、セルスタックの重量増
加の要因となっていた。As the conventional end plate, a rectangular plate integrated with a lattice frame and reinforced is used, so that the weight of the end plate is increased, which is a factor of increasing the weight of the cell stack.
【００１８】本発明では、従来のエンドプレートにおけ
る矩形板を省略し、格子内が抜けた格子板だけとするこ
とでエンドプレートの軽量化を図ることができる。In the present invention, the end plate can be reduced in weight by omitting the rectangular plate in the conventional end plate and using only the lattice plate in which the inside of the lattice is missing.
【００１９】セルスタックは、その両端部に配置され
るエンドプレートと、両エンドプレートの間でセルフレ
ームと電極を挟み付ける締付機構とを具え、この締付機
構は、エンドプレートを貫通する棒状体と、棒状体の端
部にはめ込まれて両エンドプレートを締め付けるナット
とを具える。The cell stack includes end plates disposed at both ends thereof, and a tightening mechanism for sandwiching the cell frame and the electrode between the end plates. The tightening mechanism includes a rod-shaped member penetrating the end plate. It has a body and a nut that fits over the end of the bar and tightens both end plates.
【００２０】エンドプレートを棒状体とナットを用いて
締め付けることで、確実にセルフレームと電極の積層状
態を保持することができる。また、ナットのねじ込み量
を調整することで、セルスタックの締付力の調整も簡単
に行える。By tightening the end plate using a rod and a nut, the stacked state of the cell frame and the electrodes can be reliably maintained. Further, by adjusting the screwing amount of the nut, the tightening force of the cell stack can be easily adjusted.
【００２１】セルスタックの締付機構に、セルフレー
ムと電極の積層方向への伸縮を吸収する弾性材を設け
る。An elastic material for absorbing expansion and contraction of the cell frame and the electrodes in the laminating direction is provided in the tightening mechanism of the cell stack.
【００２２】セルスタックは充放電時の発熱により伸縮
する。そこで、この伸縮を弾性材により吸収すること
で、セルスタックの伸縮状態に関わらず適切な締付力を
保持することができる。The cell stack expands and contracts due to heat generated during charging and discharging. Therefore, by absorbing the expansion and contraction by the elastic material, an appropriate tightening force can be maintained regardless of the expansion and contraction state of the cell stack.
【００２３】弾性体はばねが望ましい。特に、圧縮コイ
ルばねが最適である。このコイルばねは、セルフレーム
のサイズ、その積層数、締付機構に用いる棒状体の本数
などに応じて伸縮代を吸収できるばね定数のものを適宜
選択すれば良い。弾性体は、締付機構のナットとエンド
プレートとの間において、棒状体の外側にはめ込むこと
が好適である。The elastic body is preferably a spring. In particular, a compression coil spring is optimal. As the coil spring, a spring having a spring constant capable of absorbing the expansion and contraction allowance may be appropriately selected according to the size of the cell frame, the number of layers thereof, the number of rods used in the tightening mechanism, and the like. It is preferable that the elastic body is fitted between the nut of the tightening mechanism and the end plate outside the rod.
【００２４】締付機構に棒状体を用いる場合、その棒
状体に絶縁被覆を設ける。When a rod is used for the fastening mechanism, the rod is provided with an insulating coating.
【００２５】各セルフレームの間には隔膜が挟み込ま
れ、隔膜の外縁がセルフレームの外縁よりわずかに露出
していることがある。隔膜には電解液が含浸されている
ため、セルフレームの外縁から露出した隔膜に接触する
と通電することになる。そこで、セルフレームの外縁に
近接して配置される棒状体にも絶縁被覆を設けること
で、棒状体を通しての通電を防止することができる。A diaphragm may be sandwiched between the cell frames, and the outer edge of the diaphragm may be slightly exposed from the outer edge of the cell frame. Since the diaphragm is impregnated with the electrolytic solution, current flows when the diaphragm contacts the diaphragm exposed from the outer edge of the cell frame. Therefore, by providing an insulating coating also on the rod-shaped body disposed close to the outer edge of the cell frame, it is possible to prevent the passage of electricity through the rod-shaped body.
【００２６】絶縁被覆は、セルスタックの電圧に耐圧を
有するものであれば、その材料・構造は特に問わない。
例えば、熱収縮チューブによる被覆や、絶縁塗装、ある
いは押出しによる被覆などが挙げられる。通常、200V程
度の耐圧を具えていれば良い。The material and structure of the insulating coating are not particularly limited as long as the insulating coating has a withstand voltage against the voltage of the cell stack.
For example, coating with a heat-shrinkable tube, insulating coating, or coating by extrusion may be mentioned. Normally, it is sufficient if a withstand voltage of about 200 V is provided.
【００２７】「セルフレームと電極の積層体」と「締
付機構の棒状体」との間にセルフレームのずれ防止部材
を介在させる。A member for preventing the cell frame from shifting is interposed between the "laminated body of the cell frame and the electrodes" and the "rod-shaped body of the tightening mechanism".
【００２８】締付力のみでセルフレームを保持する場
合、セルスタックの運搬時などに衝撃がかかると、特に
中央部に位置するセルフレームが下方にずれることが考
えられる。そこで、「セルフレームと電極の積層体」と
「締付機構の棒状体」との間にセルフレームのずれ防止
部材を介在させることで、セルフレームのずれを防止す
ることができる。In the case where the cell frame is held only by the tightening force, if a shock is applied during transportation of the cell stack or the like, the cell frame located particularly at the center may be shifted downward. Therefore, the displacement of the cell frame can be prevented by interposing the displacement preventing member of the cell frame between the “laminate of the cell frame and the electrode” and the “rod-shaped body of the fastening mechanism”.
【００２９】ずれ防止部材を用いず、棒状体自体をセル
フレームに当接するような位置に設けることで、ずれ防
止機能を兼備させることも考えられる。しかし、その場
合、棒状体とセルフレームとのクリアランスが実質的に
なく、セルスタックの組立作業が困難になる。その点、
棒状体とは別にずれ防止部材を用いればセルスタックの
組立作業性を阻害することもない。It is also conceivable that the rod-shaped body itself is provided at a position where it comes into contact with the cell frame without using the displacement preventing member, thereby also having a displacement preventing function. However, in this case, there is substantially no clearance between the rod-shaped body and the cell frame, and it becomes difficult to assemble the cell stack. That point,
If a slip prevention member is used separately from the rod-shaped member, the workability of assembling the cell stack is not hindered.
【００３０】ずれ防止部材は、棒状体とセルフレームと
の間隔に対応した厚さを有する板状体が好適である。ず
れ防止部材は棒状体と接触するため、棒状体に絶縁被覆
がない場合、ずれ防止部材自体を絶縁体で構成するか、
導電性のずれ防止部材に絶縁被覆を形成することが好ま
しい。The displacement preventing member is preferably a plate having a thickness corresponding to the distance between the rod and the cell frame. Since the slip prevention member comes into contact with the rod-shaped body, if the rod-shaped body does not have an insulating coating, the slip prevention member itself may be formed of an insulator,
It is preferable to form an insulating coating on the conductive slip prevention member.
【００３１】[0031]
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を説明
する。 （全体構成）図１は本発明セルスタックを上部から見た
概略構成図である。このセルスタック1は、セルフレー
ム2と電極3、4と隔膜5とを積層し、その積層体の両端部
に給排板6およびエンドプレート7を配置して、締付機構
8にて締め付けた構成である。このセルスタック1を用い
たレドックスフロー電池の動作原理は、図5に関して説
明したものと同様であり、電解液がタンクより正極電極
3および負極電極4に循環供給される点も同様である。図
示していないが、このセルスタック1は、支持台により
大地上に設置される。その際、この支持台を碍子とする
ことで大地に対する絶縁性を確保することができる。Embodiments of the present invention will be described below. (Overall Configuration) FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a cell stack of the present invention as viewed from above. In this cell stack 1, a cell frame 2, electrodes 3, 4 and a diaphragm 5 are laminated, and a supply / discharge plate 6 and an end plate 7 are arranged at both ends of the laminated body.
The configuration is tightened at 8. The operating principle of the redox flow battery using this cell stack 1 is the same as that described with reference to FIG.
The same applies to the point of circulation and supply to the negative electrode 3 and the negative electrode 4. Although not shown, the cell stack 1 is installed on the ground by a support base. At this time, by using this support as an insulator, insulation against the ground can be ensured.
【００３２】（セルフレーム）セルフレーム2は、フレ
ーム枠2Aと、フレーム枠の内側に固定された双極板9と
からなる。(Cell Frame) The cell frame 2 comprises a frame 2A and a bipolar plate 9 fixed inside the frame.
【００３３】フレーム枠2Aは塩化ビニルなどのプラスチ
ックで形成された枠状体である。一方、双極板9は黒鉛
を含有した導電性プラスチックカーボン製の矩形板から
なる。フレーム枠2Aと双極板9とを一体化する方法に
は、射出成形などで得られた２枚のフレーム片を用意
し、これらフレーム片を接合してフレーム枠2Aを構成す
ると共に、両フレーム片の内周部の間に双極板9の外周
部を挟み込む方法と、双極板9を中子としてフレーム
枠を射出成形にて形成する方法とがある。本例では、前
者によりセルフレーム2を構成した。The frame 2A is a frame formed of plastic such as vinyl chloride. On the other hand, bipolar plate 9 is formed of a rectangular plate made of conductive plastic carbon containing graphite. In order to integrate the frame 2A and the bipolar plate 9, two frame pieces obtained by injection molding or the like are prepared, and these frame pieces are joined to form the frame 2A. There is a method in which the outer peripheral portion of the bipolar plate 9 is sandwiched between the inner peripheral portions, and a method in which the frame is formed by injection molding using the bipolar plate 9 as a core. In this example, the former configured the cell frame 2.
【００３４】フレーム片の平面図を図2に示す。フレー
ム片20の長辺には、複数のマニホールド21A、21Bが形成
されている。複数のセルフレームを積層した際、マニホ
ールド21A、21Bは積層方向に伸びる電解液の流路とな
る。本例では、フレーム片20の長辺方向に並ぶマニホー
ルドを交互に正極電解液用マニホールド21A、負極電解
液用マニホールド21Bとして利用する。FIG. 2 is a plan view of the frame piece. A plurality of manifolds 21A and 21B are formed on the long side of the frame piece 20. When a plurality of cell frames are stacked, the manifolds 21A and 21B serve as electrolyte flow paths extending in the stacking direction. In this example, the manifolds arranged in the long side direction of the frame piece 20 are alternately used as the manifold 21A for the positive electrode electrolyte and the manifold 21B for the negative electrode electrolyte.
【００３５】このフレーム片20は、表面に電解液の流通
部22Aを具えている。流通部22Aは、マニホールド21Aか
ら伸びる電解液のガイド溝22A-1と、ガイド溝22A-1から
供給される電解液を正極電極の縁部沿いに拡散させる整
流部22A-2とからなる。整流部22A-2は、フレーム片20の
長辺沿いに形成された矩形の凹凸部で、この凹部を通っ
て電解液が正（負）極電極へと導かれる。ガイド溝22A-
1も整流部22A-2も、本例の形状や数に限定されるわけで
はない。The frame piece 20 has an electrolyte flowing portion 22A on the surface. The flow section 22A includes a guide groove 22A-1 for the electrolyte extending from the manifold 21A, and a rectifying section 22A-2 for diffusing the electrolyte supplied from the guide groove 22A-1 along the edge of the positive electrode. The rectifying portion 22A-2 is a rectangular uneven portion formed along the long side of the frame piece 20, and the electrolytic solution is guided to the positive (negative) electrode through this concave portion. Guide groove 22A-
Neither 1 nor the rectifying section 22A-2 is limited to the shape and number of the present example.
【００３６】また、フレーム片20の一方の長辺と他方の
長辺におけるガイド溝22A-1の配置を点対称とした。こ
の配置により、同一形状のフレーム片20同士を向きを変
えて接合すればフレーム枠を形成でき、複数の形状のフ
レーム片20を用意する必要がない。The arrangement of the guide grooves 22A-1 on one long side and the other long side of the frame piece 20 is point symmetric. With this arrangement, a frame can be formed by joining the frame pieces 20 of the same shape in different directions, and there is no need to prepare frame pieces 20 of a plurality of shapes.
【００３７】前述のフレーム片を接合したセルフレーム
に電極および保護板を配置した状態の部分平面図を図３
に示す。FIG. 3 is a partial plan view showing a state in which electrodes and a protection plate are arranged on the cell frame to which the above-mentioned frame pieces are joined.
Shown in
【００３８】図３において、実線のガイド溝22A-1はフ
レーム枠2Aの表面に形成されており、破線のガイド溝22
B-1はフレーム枠2Aの裏面に形成されている。すなわ
ち、左側のマニホールドが正極電解液用マニホールド21
Aで、そこから実線のガイド溝22A-1を通った正極電解液
は双極板9の表面側に配置された正極電極3に導かれる。
また、右側のマニホールドが負極電解液用マニホールド
21Bで、そこから破線のガイド溝22B-1を通った負極電解
液は双極板9の裏面側に配置された負極電極（図示せ
ず）に導かれる。In FIG. 3, the solid guide groove 22A-1 is formed on the surface of the frame 2A,
B-1 is formed on the back surface of the frame 2A. That is, the left manifold is the cathode electrolyte manifold 21.
In A, the positive electrode electrolyte passing therethrough passes through the solid-line guide groove 22A-1 to the positive electrode 3 arranged on the surface side of the bipolar plate 9.
The manifold on the right is the manifold for the negative electrode electrolyte.
At 21B, the negative electrode electrolyte passing through the guide groove 22B-1 indicated by a broken line is guided to a negative electrode (not shown) arranged on the back surface side of the bipolar plate 9.
【００３９】このようなガイド溝22A-1と整流部22A-2
は、プラスチック製の保護板23で覆われている。この保
護板23はマニホールド21Aに対応する位置に円孔が形成
され、ガイド溝22A-1および整流部22A-2の全面と、整流
部22A-2の若干上部までを覆う大きさを有する。セルス
タック1(図1参照)にした場合、セルフレーム2(同)の両
面には隔膜5(同)が配置される。保護板23を用いたの
は、凹凸のあるガイド溝22A-1や整流部22A-2が隔膜5に
接触すると、薄い隔膜5に破れが生じることを防止する
ためである。また、保護板23を整流部22A-1の若干上部
まで覆う大きさとしたのは、保護板23で正極電極3（負
極電極4）の上下端を双極板9との間に挟み込み、押さえ
としての機能を持たせることで組立作業性の向上を図る
ためである。保護板23の厚みは0.1〜0.3mm程度である。
保護板23が装着される位置には、その外縁形状に対応し
た凹部24がフレーム枠2Aに形成されており（図2参
照）、保護板23の位置合わせは容易に行える。The guide groove 22A-1 and the rectifying portion 22A-2
Is covered with a protective plate 23 made of plastic. The protective plate 23 has a circular hole formed at a position corresponding to the manifold 21A, and has a size to cover the entire surface of the guide groove 22A-1 and the rectifying portion 22A-2 and a little above the rectifying portion 22A-2. In the case of the cell stack 1 (see FIG. 1), diaphragms 5 (same) are arranged on both sides of the cell frame 2 (same). The protection plate 23 is used to prevent the thin diaphragm 5 from being torn when the uneven guide groove 22A-1 or the rectifying portion 22A-2 comes into contact with the diaphragm 5. The reason why the protection plate 23 is slightly larger than the rectifying portion 22A-1 is that the upper and lower ends of the positive electrode 3 (negative electrode 4) are sandwiched between the protection plate 23 and the bipolar plate 9 so as to hold the protection plate 23. This is to improve the assembly workability by providing functions. The thickness of the protection plate 23 is about 0.1 to 0.3 mm.
At the position where the protection plate 23 is mounted, a recess 24 corresponding to the outer edge shape is formed in the frame 2A (see FIG. 2), and the positioning of the protection plate 23 can be easily performed.
【００４０】なお、マニホールド周辺に形成されている
円溝25およびセルフレーム外周に沿って形成されている
枠溝26には、セルフレーム構造を積層した際に各マニホ
ールド21A、21BをシールするOリングおよびセルフレー
ム外部への電解液のもれを防止するOリングがはめ込ま
れる。The circular groove 25 formed around the manifold and the frame groove 26 formed along the outer periphery of the cell frame have O-rings for sealing the respective manifolds 21A and 21B when the cell frame structure is laminated. An O-ring for preventing electrolyte from leaking out of the cell frame is fitted.
【００４１】（電極）前述した双極板9の表面には正極
電極3が、裏面には負極電極が配置される。通常、正
（負）極電極3には、カーボンフェルトが用いられる。
正（負）極電極3の大きさは、セルフレーム内に形成さ
れる矩形空間に対応したサイズとする。従来は、双極板
9に正（負）極電極3を接着剤にて接着していたが、本発
明では接着剤は用いず、後述する締付機構の締付力によ
りセルスタックの形態を保持する。(Electrode) The positive electrode 3 is disposed on the front surface of the bipolar plate 9 and the negative electrode is disposed on the rear surface. Usually, carbon felt is used for the positive (negative) electrode 3.
The size of the positive (negative) electrode 3 is set to a size corresponding to a rectangular space formed in the cell frame. Conventionally, bipolar plate
Although the positive (negative) electrode 3 is bonded to the adhesive 9 with an adhesive, the adhesive is not used in the present invention, and the shape of the cell stack is maintained by a tightening force of a tightening mechanism described later.
【００４２】フレーム枠2Aは双極板9よりも厚い。その
ため、フレーム枠2Aの表面と双極板9の表面には段差が
形成される。セルスタックとして構成した場合、電極は
この段差の厚みに圧縮されるため、圧縮時の電極の反発
力を規定することで電池性能を向上させることができ
る。後述する試験例から明らかなように、この反発力は
15kPa超150kPa未満（0.153kgf/cm2超1.53kgf/cm2未満）
であることが好ましい。また、電極の単位当たり重量
は、100g/m2以上1000g/m2以下が好適である。The frame 2A is thicker than the bipolar plate 9. Therefore, a step is formed between the surface of the frame 2A and the surface of the bipolar plate 9. When configured as a cell stack, the electrodes are compressed to the thickness of this step, so that the battery performance can be improved by defining the repulsive force of the electrodes during compression. As is clear from the test examples described later, this repulsive force
Less than 15kPa ultra-150kPa (0.153kgf / cm 2 ultra 1.53kgf / cm less than 2)
It is preferable that The weight per unit of the electrode is preferably 100 g / m 2 or more and 1000 g / m 2 or less.
【００４３】（隔膜）隔膜は、イオン交換膜を用いる。
厚さは20〜400μm程度で、材料には塩化ビニル、フッ素
樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレンなどが利用でき
る。この隔膜は、セルフレームとほぼ同等の面積を有
し、マニホールドに面する個所には透孔が形成されてい
る。(Diaphragm) As the diaphragm, an ion exchange membrane is used.
The thickness is about 20 to 400 μm, and a material such as vinyl chloride, fluororesin, polyethylene, and polypropylene can be used. The diaphragm has an area approximately equal to that of the cell frame, and a through hole is formed at a position facing the manifold.
【００４４】（電気端子）セルスタック1の両端部付近
には、レドックスフロー電池としての充放電を行うため
の電気端子10が設けられている。図１に示すように、セ
ルスタック1は、セルフレーム2、正極電極3、隔膜5、負
極電極4、セルフレーム2を順次繰り返して積層して構成
される。この積層体における端部の電極3、4に銅板11を
接触させ、この銅板11から電気端子10を引き出す。(Electrical Terminals) Electric terminals 10 for charging and discharging as a redox flow battery are provided near both ends of the cell stack 1. As shown in FIG. 1, the cell stack 1 is configured by repeatedly stacking a cell frame 2, a positive electrode 3, a diaphragm 5, a negative electrode 4, and a cell frame 2 in order. The copper plate 11 is brought into contact with the electrodes 3 and 4 at the ends of the laminate, and the electrical terminals 10 are drawn out from the copper plate 11.
【００４５】（給排板）給排板6は、電解液タンクとセ
ルフレーム2のマニホールドとを連結して、マニホール
ドへ電解液を供給・排出するための構造である。給排板
6にはパイプ12が取り付けられ、このパイプ12は電解液
タンクへと接続される。パイプ12は給排板6内の電解液
流路を介してセルフレーム2のマニホールドへと接続さ
れる。本例では、前記の電気端子10とパイプ12との引出
方向をセルスタック1の反対側とし、電気系統と電解液
の流通系統とを区分することで、電気端子10と機器との
接続作業およびパイプ12とタンクへ繋がる配管との接続
作業を容易にした。特に、パイプ12から電解液が漏れる
ことがあっても、漏れた電解液が電気端子10にかかるこ
とがなく、電気系統に電流が流れることがなく好まし
い。(Supply / Discharge Plate) The supply / discharge plate 6 is a structure for connecting the electrolyte tank and the manifold of the cell frame 2 to supply / discharge the electrolyte to / from the manifold. Supply / discharge plate
A pipe 12 is attached to 6, and this pipe 12 is connected to the electrolyte tank. The pipe 12 is connected to a manifold of the cell frame 2 via an electrolyte channel in the supply / discharge plate 6. In the present example, the drawing direction of the electric terminal 10 and the pipe 12 is set to the opposite side of the cell stack 1, and the electric system and the distribution system of the electrolytic solution are separated to connect the electric terminal 10 and the device, and The connection work between the pipe 12 and the pipe connected to the tank was facilitated. In particular, even if the electrolytic solution leaks from the pipe 12, the leaked electrolytic solution is not applied to the electric terminals 10 and a current does not flow through the electric system, which is preferable.
【００４６】（エンドプレート）エンドプレート7は、
セルフレーム2、電極3、4、隔膜5、給排板6の積層体の
両端部を挟み込む格子板である。エンドプレート7の平
面図を図４に示す。格子板の格子内は抜けており、エン
ドプレート7の軽量化を図っている。このエンドプレー
ト7の外周縁部7Aには、多数の貫通孔が形成されてい
る。この貫通孔に後述する棒状体8Aを差し込み、ナット
8Bで締め付けることでセルフレーム2、電極3、4、隔膜
5、給排板6の積層構造を保持する(図1参照)。(End Plate) The end plate 7
This is a lattice plate that sandwiches both ends of the stacked body of the cell frame 2, the electrodes 3, 4, the diaphragm 5, and the supply / discharge plate 6. FIG. 4 shows a plan view of the end plate 7. The inside of the lattice of the lattice plate is missing, and the weight of the end plate 7 is reduced. A large number of through holes are formed in the outer peripheral edge 7A of the end plate 7. Insert a rod-shaped body 8A described later into this through hole,
By tightening with 8B, cell frame 2, electrodes 3, 4, diaphragm
5. Hold the laminated structure of the supply / discharge plate 6 (see FIG. 1).
【００４７】（締付機構）締付機構8は、図1に示すよう
に両エンドプレート7を互いに圧接させてセルスタック1
としての構成を保持させるためのもので、エンドプレー
ト7の貫通孔に挿通される棒状体8Aと、棒状体8Aにねじ
込まれるナット8Bとを具えている。棒状体8Aは、その両
端部にナット8Bをねじ込むための雄ネジ加工がなされ、
中間部には熱収縮チューブによる絶縁被覆が形成されて
いる。棒状体8Aを用いてセルフレーム2や電極3、4の積
層体の締め付けを行うと、積層体の外周に多数の棒状体
8Aが並列して配置された状態となる。さらに、本例で
は、ナット8Bとエンドプレート7との間において、棒状
体8Aの外周にコイルばね13を配置して、セルスタック1
の熱伸縮を吸収するように構成した。(Tightening Mechanism) As shown in FIG. 1, the fastening mechanism 8 presses the two end plates 7 against each other to
And has a rod-shaped body 8A inserted into the through-hole of the end plate 7, and a nut 8B screwed into the rod-shaped body 8A. The rod-shaped body 8A is externally threaded to screw a nut 8B on both ends thereof,
An insulating coating made of a heat-shrinkable tube is formed at the intermediate portion. When the laminate of the cell frame 2 and the electrodes 3 and 4 is tightened using the rod 8A, a large number of rods
8A are arranged in parallel. Further, in this example, a coil spring 13 is arranged on the outer periphery of the rod 8A between the nut 8B and the end plate 7, and the cell stack 1
It was configured to absorb the thermal expansion and contraction of.
【００４８】（ずれ防止板）セルフレーム2の積層体の
下面と棒状体8Aの間には、ずれ防止板（図示せず）を配
置する。このずれ防止板により、セルスタック1の運搬
時に衝撃が加わっても一部のセルフレーム2がずれるこ
とを防止できる。ずれ防止板は、セルフレーム2の積層
体と棒状体8Aの間に介在できるものであれば、特に材料
・構成は問わない。(Slip prevention plate) A slip prevention plate (not shown) is arranged between the lower surface of the stacked body of the cell frame 2 and the rod 8A. With this shift preventing plate, it is possible to prevent some of the cell frames 2 from shifting even if an impact is applied during transportation of the cell stack 1. The material for the slip prevention plate is not particularly limited as long as it can be interposed between the stacked body of the cell frame 2 and the rod 8A.
【００４９】（試作例1）上記のセルスタックを用いて
レドックスフロー電池を構成し、電池性能及び放電可能
電力量を測定した。セルスタックの材料、サイズ等の諸
元および結果は以下の通りである。(Trial Production Example 1) A redox flow battery was constructed using the above-described cell stack, and the battery performance and dischargeable electric energy were measured. The specifications and results of the material and size of the cell stack are as follows.
【００５０】＜フレーム枠＞ 寸法 外寸：幅1000mm、高さ800mm、厚さ5mm 内寸：幅900mm、高さ600mm 枠溝：幅3mm、深さ1mm、溝間隔7.5mm フレーム枠と双極板との段差：3.0mm 材質：塩化ビニル50質量％、アクリロニトリルブタジエ
ンスチレン共重合体（ABS）50質量％の樹脂 製法：射出成型<Frame Frame> Dimensions Outside dimensions: width 1000mm, height 800mm, thickness 5mm Interior dimensions: width 900mm, height 600mm Frame groove: width 3mm, depth 1mm, groove interval 7.5mm Frame frame and bipolar plate Step: 3.0mm Material: 50% by mass of vinyl chloride, 50% by mass of acrylonitrile butadiene styrene copolymer (ABS) Resin Production method: Injection molding
【００５１】＜双極板＞ 寸法：厚さ0.3mm 材質：黒鉛50質量％含有塩素化ポリエチレン<Bipolar plate> Dimensions: thickness 0.3 mm Material: chlorinated polyethylene containing 50% by mass of graphite
【００５２】＜電極＞ 材質：カーボンフェルト 反発力：100kPa（1.0kgf/cm2） 単位面積重量：500g/m2 <Electrode> Material: carbon felt Repulsion: 100 kPa (1.0 kgf / cm 2 ) Unit area weight: 500 g / m 2
【００５３】＜積層構造＞ 総セルフレーム枚数：100枚（25枚積層したものを仮留
めし、その仮留め積層体を４組積層）<Laminated Structure> Total number of cell frames: 100 (25 laminated layers are temporarily fixed, and four sets of the temporarily fixed laminated bodies are laminated).
【００５４】＜電解液＞ 組成：バナジウムイオン濃度：2.0モル/L、フリーの硫
酸濃度：2.0モル/L、添加燐酸濃度：0.3モル/L 電解液量：20m3 <Electrolyte> Composition: Vanadium ion concentration: 2.0 mol / L, free sulfuric acid concentration: 2.0 mol / L, added phosphoric acid concentration: 0.3 mol / L Electrolyte amount: 20 m 3
【００５５】＜締付機構＞ 棒状体本数：20本 コイルばねのばね定数：1000N/m 有効巻数：3.0 締付時のコイルバネの自由長からの縮み：30mm<Tightening mechanism> Number of rods: 20 Spring constant of coil spring: 1000 N / m Effective number of turns: 3.0 Shrinkage from free length of coil spring during tightening: 30 mm
【００５６】＜結果＞ 電池効率：86％ 放電可能電力量：350kWH その他：運転時セルスタックに熱収縮が生じても何ら問
題なく、セルフレーム間からの電解液の漏れも皆無であ
った。<Results> Battery efficiency: 86% Dischargeable electric energy: 350 kWH Others: There was no problem even if heat shrinkage occurred in the cell stack during operation, and there was no leakage of the electrolytic solution between the cell frames.
【００５７】（試作例２）試作例1の電極における反発
力と単位面積重量を変えたレドックスフロー電池システ
ムを試作し、各電池のセル抵抗（Ω・cm2）と電解液の流
通状態を調べた。ここで用意した電極の反発力および単
位面積重量と試験結果を表１に示す。(Trial Production Example 2) A redox flow battery system in which the repulsion force and the unit area weight of the electrode of Trial Production Example 1 were changed was prototyped, and the cell resistance (Ω · cm 2 ) of each battery and the flow state of the electrolyte were examined. Was. Table 1 shows the repulsion force, unit area weight, and test results of the electrodes prepared here.
【００５８】[0058]
【表１】 [Table 1]
【００５９】表１から明らかなように、反発力を15kPa
超150kPa未満(0.153kgf/cm2超1.53kgf/cm2未満)、単位
面積重量を100g/m2以上1200g/m2未満、特に1000g/m2以
下とすることで、セル抵抗を1.5Ω・cm2以下に小さくで
き、かつ電解液の流通に支障のないことがわかる。ま
た、表1から明らかなように、反発力を40kPa以上100kPa
以下(0.408kgf/cm2以上1.02kgf/cm2以下)、単位面積重
量を250g/m2以上800g/m2以下とすることで、セル抵抗を
1.3Ω・cm2以下にすることができ、より好ましい。As is apparent from Table 1, the repulsive force was set to 15 kPa
Ultra less than 150kPa (0.153kgf / cm 2 ultra 1.53kgf / cm less than 2), a weight per unit area 100 g / m 2 or more 1200 g / m less than 2, that in particular the 1000 g / m 2 or less, 1.5 [Omega · a cell resistance It can be seen that the size can be reduced to not more than cm 2 and that the flow of the electrolyte is not hindered. Also, as is clear from Table 1, the repulsion force is 40 kPa or more and 100 kPa
The following (0.408kgf / cm 2 or more 1.02kgf / cm 2 or less), a weight per unit area by a 250 g / m 2 or more 800 g / m 2 or less, the cell resistance
1.3 Ω · cm 2 or less, which is more preferable.
【００６０】[0060]
【発明の効果】以上説明したように、本発明セルスタッ
クは、双極板と電極とを接着することなく締付力により
積層構造を保持しており、双極板と電極との接着工程を
省略し、組立工程数の減少を図ることができる。また、
接着工程を省略したことで、接着剤の劣化に伴う電池性
能の低下と言う問題も解消できる。As described above, in the cell stack of the present invention, the laminated structure is maintained by the clamping force without bonding the bipolar plate and the electrode, and the step of bonding the bipolar plate and the electrode is omitted. Thus, the number of assembly steps can be reduced. Also,
By omitting the bonding step, the problem of a decrease in battery performance due to the deterioration of the adhesive can be solved.
【図１】本発明セルスタックの概略構成図である。FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a cell stack of the present invention.
【図２】本発明セルスタックに用いるフレーム片の平面
図である。FIG. 2 is a plan view of a frame piece used for the cell stack of the present invention.
【図３】本発明セルスタックに用いるセルフレームと電
極との組合せ状態を示す平面図である。FIG. 3 is a plan view showing a combination state of a cell frame and electrodes used in the cell stack of the present invention.
【図４】エンドプレートの平面図である。FIG. 4 is a plan view of an end plate.
【図５】レドックスフロー電池の動作原理を示す説明図
である。FIG. 5 is an explanatory diagram showing the operation principle of a redox flow battery.
【図６】従来のセルスタックの説明図である。FIG. 6 is an explanatory diagram of a conventional cell stack.
1 セルスタック 2 セルフレーム 2A フレーム枠
3 正極電極 4 負極電極 5 隔膜 6 給排板 7 エンドプレート
7A 外周縁部 8 締付機構 8A 棒状体 8B ナット 9 双極板 10
電気端子 11 銅板 12 パイプ 20 フレーム片 21A、21B マニホールド 22A 流通
部 22A-1、22B-1 ガイド溝 22A-2 整流部 23 保護板
24 凹部 25 円溝 26 枠溝 100 セル 100A 正極セル 100B 負極セル 101 正
極用タンク 102 負極用タンク 103 隔膜 104 正極電極 105
負極電極 106、107、109、110 導管 108、111 ポンプ 200 セルスタック 201 エンドプレート 201A 矩形
板 201B 格子枠 202 棒状体 203 ナット 210 セルフレーム 211 双極板 212 フレーム枠1 cell stack 2 cell frame 2A frame
3 Positive electrode 4 Negative electrode 5 Diaphragm 6 Supply / discharge plate 7 End plate
7A Outer edge 8 Tightening mechanism 8A Rod 8B Nut 9 Bipolar plate 10
Electrical terminal 11 Copper plate 12 Pipe 20 Frame piece 21A, 21B Manifold 22A Distribution section 22A-1, 22B-1 Guide groove 22A-2 Rectifying section 23 Protection plate
24 Recess 25 Circular groove 26 Frame groove 100 cell 100A Positive cell 100B Negative cell 101 Positive tank 102 Negative tank 103 Diaphragm 104 Positive electrode 105
Negative electrode 106, 107, 109, 110 Conduit 108, 111 Pump 200 Cell stack 201 End plate 201A Rectangular plate 201B Lattice frame 202 Rod 203 Nut 210 Cell frame 211 Bipolar plate 212 Frame frame
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 寒野 毅 大阪府大阪市此花区島屋一丁目１番３号 住友電気工業株式会社大阪製作所内 (72)発明者 荻野 誠司 大阪府大阪市此花区島屋一丁目１番３号 住友電気工業株式会社大阪製作所内 (72)発明者 伊藤 岳文 大阪府大阪市此花区島屋一丁目１番３号 住友電気工業株式会社大阪製作所内 (72)発明者 重松 敏夫 大阪府大阪市此花区島屋一丁目１番３号 住友電気工業株式会社大阪製作所内 (72)発明者 徳田 信幸 大阪府大阪市北区中之島３丁目３番22号 関西電力株式会社内 Ｆターム(参考） 5H026 AA10 BB02 CC08 CV01 CX08 CX10 HH00 HH09 RR01 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Takeshi Kanno 1-3-1 Shimaya, Konohana-ku, Osaka-shi, Osaka Inside Sumitomo Electric Industries, Ltd. Osaka Works (72) Inventor Seiji Ogino Shimaya, Konohana-ku, Osaka-shi, Osaka 1-3-1, Sumitomo Electric Industries, Ltd., Osaka Works (72) Inventor Takefumi Ito 1-3-1, Shimaya, Konohana-ku, Osaka, Osaka Prefecture, Japan Sumitomo Electric Industries, Ltd. Osaka Works (72) Inventor Toshio Shigematsu Osaka 1-3-1 Shimaya, Konohana-ku, Osaka-shi Sumitomo Electric Industries, Ltd. Osaka Works (72) Inventor Nobuyuki Tokuda 3-2-2, Nakanoshima, Kita-ku, Osaka-shi, Osaka Kansai Electric Power Company F-term (reference) 5H026 AA10 BB02 CC08 CV01 CX08 CX10 HH00 HH09 RR01
Claims (7)
レドックスフロー電池用セルスタックであって、 前記セルフレームは、フレーム枠と、フレーム枠と一体
化される双極板とを具え、 前記電極は、双極板に接着されることなく締付力で双極
板に密接されていることを特徴とするとするレドックス
フロー電池用セルスタック。1. A cell stack for a redox flow battery in which a cell frame, an electrode, and a diaphragm are stacked, wherein the cell frame includes a frame, and a bipolar plate integrated with the frame. A cell stack for a redox flow battery, wherein the cell stack is tightly attached to the bipolar plate with a clamping force without being adhered to the bipolar plate.
に相当する厚さに圧縮した場合、電極の反発力が15kPa
超150kPa未満（0.153kgf/cm2超1.53kgf/cm2未満）であ
ることを特徴とする請求項1に記載のレドックスフロー
電池用セルスタック。2. When the electrode is compressed to a thickness corresponding to a step between a frame and a bipolar plate, the repulsive force of the electrode is 15 kPa.
Redox flow battery cell stack according to claim 1, characterized in that less than ultra 150kPa (0.153kgf / cm 2 ultra 1.53kgf / cm less than 2).
200g/m2未満であることを特徴とする請求項1に記載のレ
ドックスフロー電池用セルスタック。3. The electrode has a unit area weight of 100 g / m 2 or more.
2. The redox flow battery cell stack according to claim 1, wherein the weight is less than 200 g / m 2 .
されるエンドプレートと、両エンドプレートの間でセル
フレームと電極を挟み付ける締付機構とを具え、 前記エンドプレートは格子内が抜けた格子板であること
を特徴とする請求項1に記載のレドックスフロー電池用
セルスタック。4. The cell stack includes end plates disposed at both ends thereof, and a tightening mechanism for sandwiching a cell frame and an electrode between both end plates, wherein the end plate has fallen within a lattice. 2. The cell stack for a redox flow battery according to claim 1, wherein the cell stack is a lattice plate.
されるエンドプレートと、両エンドプレートの間でセル
フレームと電極を挟み付けるのに用いられる棒状体とを
具え、 前記棒状体は絶縁被覆を具えることを特徴とする請求項
1に記載のレドックスフロー電池用セルスタック。5. The cell stack includes an end plate disposed at both ends thereof, and a rod used for sandwiching a cell frame and an electrode between the end plates, wherein the rod is insulated. Claims characterized by comprising
2. The cell stack for a redox flow battery according to 1.
積層方向への伸縮を吸収する弾性材を具えることを特徴
とする請求項４または５に記載のレドックスフロー電池
用セルスタック。6. The cell stack for a redox flow battery according to claim 4, wherein the tightening mechanism includes an elastic material that absorbs expansion and contraction of the cell frame and the electrode in the stacking direction.
体との間にセルフレームのずれ防止部材を介在させるこ
とを特徴とする請求項５に記載のレドックスフロー電池
用セルスタック。7. The cell stack for a redox flow battery according to claim 5, wherein a shift preventing member for the cell frame is interposed between the stacked body of the cell frame and the electrodes and the rod-shaped body.
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